(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前壁、後壁、左側壁、右側壁からなる内壁をもつ火炉と、前記内壁に設けられた伝熱管と、前記火炉の下方部に設けたバーナと、を備え、前記伝熱管内の流体が前記火炉内の燃焼ガスから熱吸収する貫流ボイラにおいて、
前記バーナより上方の前記火炉の中間部に、各内壁に対応した伝熱管内の流体を寄せる４つの火炉下部出口管寄せを設け、
前記４つの火炉下部出口管寄せから送給された流体を混合する２つの流体混合手段を設け、
前記２つの流体混合手段から前記混合した流体がそれぞれの連絡管を通してそれぞれ送給される２つの流体分配手段を設け、
前記２つの流体分配手段から流体が送給される４つの火炉上部入口管寄せを前記火炉の中間部に設け、
前記２つの流体混合手段は、火炉の左右にそれぞれ配置された火炉下部出口管寄せからの流体を左右ごとに集めて混合し、前記混合した流体をそれぞれの連絡管を通してそれぞれの流体分配手段に送給し、
前記２つの流体分配手段は、火炉の下部と上部との間で、火炉の左右の伝熱管内の流体を入れ替えるように前記４つの火炉上部入口管寄せに対して流体流路を形成する
ことを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項２】
請求項１において、
前記２つの流体混合手段が火炉の左右にそれぞれ配置された火炉下部出口管寄せからの流体を左右ごとに集めて混合する代わりに、前記２つの流体混合手段が火炉の前後にそれぞれ配置された火炉下部出口管寄せからの流体を前後ごとに集めて混合し、前記２つの流体分配手段は、火炉の下部と上部との間で、火炉の前後の伝熱管内の流体を入れ替えるように前記４つの火炉上部入口管寄せに対して流体流路を形成する
ことを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項３】
請求項１または２において、
ボイラ給水ポンプ出口からの水又は複数の高圧給水加熱器間から分岐した水を注水するスプレ装置が、前記連絡管に設けられる
ことを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項４】
請求項３において、
火炉出口の流体温度を計測し、前記計測した流体温度に応じて前記それぞれの連絡管への注水量を制御して流体温度のアンバランスを抑制する
ことを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項５】
請求項３において、
高蒸気温度条件のボイラにおける火炉出口の流体温度を計測し、前記計測した流体温度に応じて前記それぞれの連絡管への注水量を制御して火炉出口の流体温度を低減する
ことを特徴とする貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫流ボイラに係わり、火炉出口において、火炉水壁各部を通る伝熱管内流体の蒸気温度のアンバランスを抑制するのに好適な貫流ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
貫流ボイラの火炉出口伝熱管内の流体温度は、火炉を螺旋状に上昇するスパイラル壁を構成することで、熱吸収量の均一化による蒸気温度アンバランスを抑制したり、火炉入口部の伝熱管や連絡管にオリフィスを設置して火炉水壁各部の流量調整を行うことによって、蒸気温度の均一化を図っている。しかし、火炉内の燃焼は、必ずしも均一とはならず、動的にも変化するため、上述の方法では、流体温度のアンバランスを解消することは困難である。
【０００３】
火炉出口の伝熱管内流体温度のアンバランスを解消する従来技術として、例えば、特許文献１に火炉の中間部に混合装置を設けることが提案されている。特許文献１に開示された実施例を図５に示す。図５に示す実施例によると、火炉中間混合装置２３を設置することにより、それぞれの混合装置に流入する蒸気のエンタルピは均一化されるが、火炉の左右や前後を繋ぐ連絡管が無いため、火炉の左右や前後の流体を入れ替えることはできない構造となっている。この構造では火炉の前壁や左右の流体温度のアンバランスを解消することはできない。
【０００４】
また、特許文献１の別の実施例の火炉中間管寄せ部の断面図を図６に示し、その側面図を図７に示す。図６と図７に示す別の実施例によると、火炉の中間管寄せ３５の内部に管寄せ仕切り壁３４を設置し、管寄せ中央部に仕切り壁によじれを入れることにより、管寄せの左右の流体を混合かつ入れ替える構造となっている。この構造では、それぞれの火炉中間間寄せの内部においてのみ流体の入れ替えを行っているため、管寄せ内に限定された左右の入れ替え及び流体混合に限定され、燃焼に起因する火炉水壁全体の左右や前後の流体温度アンバランス解消には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３２７００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に開示されているような従来技術は、火炉全体の左右又は前後の入れ替えを行っていないこと、火炉の中間に直接注水することを行っていないことから、燃焼に起因する火炉の左右又は前後の熱吸収量の違いによる火炉出口の伝熱管内の流体温度アンバランスを解消することは困難である。
【０００７】
また一方で、過熱器出口蒸気温度を従来よりも上昇させた高蒸気条件（例えば、７００℃の高蒸気温度）のボイラにおいては、燃焼性能から火炉の大きさが決定され、火炉の相対的な熱吸収量割合が従来のボイラと同等であっても、過熱器出口蒸気エンタルピが上昇するため、火炉出口流体のエンタルピも上昇し、火炉出口流体温度（過熱器に至る火炉上部出口管寄せの出力温度）が上昇するため、流体温度アンバランスが拡大する。この流体温度アンバランスにより発生する熱応力により火炉が損傷する虞がある。このため、ボイラの過熱器出口温度を従来よりも上昇させたボイラにおいては、従来のボイラよりも、拡大した流体温度のアンバランスの抑制並びにその抑制のための火炉出口流体温度の低減を行う必要がある。
【０００８】
上記の特許文献１に開示されているような従来技術のように、火炉の中間で部分的に流体を混合しても、火炉の下部と火炉の上部で前壁からは前壁へ、後壁からは後壁へと火炉断面の同じ場所を内部流体が通過した場合は、燃焼に起因する左右又は前後の熱吸収アンバランスは解消されない。
【０００９】
本発明の目的は、火炉水壁各部を通る伝熱管内流体の左右壁又は前後壁の入れ替えを火炉の中間部で行うことにより、ボイラの火炉出口流体温度のアンバランスを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。  
前壁、後壁、左側壁、右側壁からなる内壁をもつ火炉と、前記内壁に設けられた伝熱管と、前記火炉の下方部に設けたバーナと、を備え、前記伝熱管内の流体が前記火炉内の燃焼ガスから熱吸収する貫流ボイラにおいて、
前記バーナより上方の前記火炉の中間部に、各内壁に対応した伝熱管内の流体を寄せる４つの火炉下部出口管寄せを設け、前記４つの火炉下部出口管寄せから送給された流体を混合する２つの流体混合手段を設け、前記２つの流体混合手段から前記混合した流体がそれぞれの連絡管を通してそれぞれ送給される２つの流体分配手段を設け、前記２つの流体分配手段から流体が送給される４つの火炉上部入口管寄せを前記火炉の中間部に設け、前記２つの流体混合手段は、火炉の左右にそれぞれ配置された火炉下部出口管寄せからの流体を左右ごとに集めて混合し、前記混合した流体をそれぞれの連絡管を通してそれぞれの流体分配手段に送給し、前記２つの流体分配手段は、火炉の下部と上部との間で、火炉の左右の伝熱管内の流体を入れ替えるように前記４つの火炉上部入口管寄せに対して流体流路を形成する構成とする。
【００１１】
また、前記貫流ボイラにおいて、流体を火炉の左右ごとに集めて混合する代わりに、流体を火炉の前後ごとに集めて混合し、火炉の下部と上部との間で、火炉の前後の伝熱管内の流体を入れ替えるように流体流路を形成すること。さらに、前記連絡管にはボイラ給水ポンプ出口からの水又は複数の高圧給水加熱器間から分岐した水を注水するスプレ装置を設けること。さらに、火炉出口の流体温度を計測し、前記計測した流体温度に応じて前記それぞれの連絡管への注水量を制御して流体温度のアンバランスを抑制すること。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、火炉水壁各部を通る伝熱管内流体の左右壁又は前後壁の入れ替えを行うことで、貫流ボイラの火炉出口流体温度のアンバランスの抑制をすることができる。
【００１３】
また、火炉壁の各部を通る伝熱管内の流体を入れ替えるための火炉中間混合部の連絡管に注水スプレを設けることで、火炉出口流体温度のアンバランスをより的確に抑制をすることができ、さらに、高蒸気温度条件のボイラにおいて、注水スプレのスプレ水制御をすることで、火炉出口における熱応力の発生を抑え、火炉の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る貫流ボイラの概略構造とボイラ給水の概略系統を示す図である。
【図２】本実施形態に係る貫流ボイラにおける節炭器から火炉出口までの伝熱管内流体の系統図である。
【図３】本実施形態に係る貫流ボイラにおける火炉中間混合部での流体系統の断面図である。
【図４】本実施形態に関する中間混合部の概略側面図である。
【図５】従来技術に関する火炉中間混合部での流体系統を示す図である。
【図６】他の従来技術に関する火炉中間混合部での流体系統を示す説明図である。
【図７】他の従来技術に関する火炉中間混合部での流体系統を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態に係る貫流ボイラにおける伝熱管を流れる流体流れ並びに流体温度調整について、図１〜図４を参照しながら以下説明する。図面において、１はボイラ給水ポンプ、２は高圧給水加熱器、３はボイラ給水管、４は節炭器、５は火炉（下部）、６は火炉（上部）、７はバーナ、８は過熱器、９は再熱器、１０は火炉中間混合部、１１は節炭器入口管寄せ、１２は節炭器出口管寄せ、１３は火炉入口降水管、１４は火炉入口分配管マニホルド、１５は火炉入口分配管、１６は火炉入口管寄せ、１７は火炉下部左側壁、１８は火炉下部前壁、１９は火炉下部右側壁、２０は火炉下部後壁、２１は火炉下部出口管寄せ、２２は火炉下部出口混合装置接続管、２３は火炉中間混合装置、２４は火炉中間連絡管、２５は火炉中間スプレ装置、２６は火炉上部入口分配管マニホルド、２７は火炉上部入口分配管、２８は火炉上部入口管寄せ、２９は火炉上部左側壁、３０は火炉上部前壁、３１は火炉上部右側壁、３２は火炉上部後壁、３３は火炉上部出口管寄せ、をそれぞれ表す。
【００１６】
図１において、ボイラへの給水は、ボイラ給水ポンプ１より高圧給水加熱器２を経てボイラ給水管３により、ボイラ内の節炭器４に供給される。給水は、バーナ７が設置されている火炉（下部）５、火炉（上部）６及び過熱器８などによって加熱され、蒸気となって高圧タービンに供給される。また、高圧タービンより戻った蒸気は再熱器９で加熱され、中圧タービンに供給されて発電が行われる。ここで、火炉（下部）５と火炉（上部）６との中間に火炉中間混合部１０を設置する。
【００１７】
図２、図３及び図４において、節炭器４からの給水は、火炉入口降水管１３等を通して火炉（下部）５に送られ、火炉下部前壁１８、火炉下部後壁２０、火炉下部左側壁１７、火炉下部右側壁１９の４つの伝熱管で構成された周壁を火炉の燃焼ガスにより加熱され上昇する。火炉中間混合部１０では、伝熱管内の流体は火炉下部出口管寄せ２１で一旦火炉の外に出され、火炉下部出口混合装置接続管２２にて両側壁横に設置された火炉中間混合装置２３に集められ、混合される。
【００１８】
次に、混合された流体は、火炉中間連絡管２４にて火炉の左右反対側に送られるが（図３を参照）、連絡管２４の途中に火炉中間スプレ装置２５が設置され、ボイラ給水ポンプ１出口の給水を注入する。火炉の反対側に送られた流体は、火炉上部入口分配管マニホルド２６、火炉入口分配管２７を経て火炉上部入口管寄せ２８に送られ、再び、火炉（上部）６を構成する伝熱管からなる４つの周壁、すなわち、火炉上部前壁３０、火炉上部後壁３２、火炉上部左側壁２９、火炉上部右側壁３１で加熱されて上昇し、蒸気となって火炉出口管寄せ３３に達する。ここで、不図示であるが、火炉出口管寄せ３３の出力側には、火炉出口流体温度を計測する温度センサが設けられている。
【００１９】
次に、図２と図３を用いて、中間混合部１０における流体の流れの詳細系統について説明する。ボイラの両側壁横に設置している火炉中間混合装置１０において、右側の混合装置２３−１には火炉下部右側壁１９の全部、および火炉下部前壁１８と火炉下部後壁２０のそれぞれの右側半分の流体が集められ、左側の混合装置２３−２には、火炉下部左側壁１７の全部、および火炉下部前壁１８と火炉下部後壁２０のそれぞれの左側半分の流体が集められている。混合装置２３−１と２３−２において、火炉の右側半分と左側半分の流体のエンタルピはそれぞれが均一化される。
【００２０】
ここで、バーナ部７においてボイラの前後に燃焼にアンバランスが生じていた場合、前壁１８の半分づつと後壁２０の半分づつを、それぞれ混合装置２３−１と２３−２で混合しているため、前後の流体のエンタルピ差は解消される。
【００２１】
これに対して、左右に燃焼アンバランスが生じていた場合、２つの混合装置２３−１，２３−２の流体エンタルピには差が生じることになる。そこで、混合した流体を火炉中間連絡管２４で左右を入れ替えることとし、火炉下部の右側半分（右側壁の全部と前壁の右半分と後壁の右半分）で加熱されていた流体が、火炉上部左側壁２９及び火炉上部前壁３０の左半分と火炉上部後壁３２の左半分に送られ、火炉下部の左側半分（左側壁の全部と前壁の左半分と後壁の左半分）で加熱されていた流体が、火炉上部右側壁３１および火炉上部前壁３０の右半分と火炉上部後壁３２の右半分に送られることで、火炉下部で加熱されていた流体が上部では完全に左右が入れ替わることになる。
【００２２】
ここにおいて、火炉下部で発生する燃焼のアンバランスは、火炉上部や過熱器などの後流側にもそのまま前後や左右のアンバランスとなって影響する。したがって、左右の混合装置の流体エンタルピに差があった場合においても、伝熱管内の内部流体を火炉下部と上部で入れ替えたことにより、火炉出口流体のエンタルピ差が緩和され、火炉出口の伝熱管内の流体が水と蒸気の２相流や過熱蒸気、超臨界圧の蒸気であった場合においても、温度アンバランスを抑制することができる。これは、火炉の前後に混合装置を配置しても同様である。
【００２３】
また、火炉中間混合装置２３と火炉上部入口分配管マニホルド２６を結ぶ火炉中間連絡管２４において、火炉中間スプレ装置２５を用いてボイラ給水ポンプ出口の給水を注入することにより、火炉出口の流体エンタルピを低減することで流体温度のアンバランスを抑制することができる。その際、火炉出口で左右に温度差が発生した場合において、それぞれの出口に該当する部分において温度を計測し、その温度に応じてそれぞれの注入量を制御すれば温度差を一層小さくするように効果的に抑制することができる。
【００２４】
さらに、この火炉中間スプレ装置２５によるスプレ水の注入を利用することによって、高蒸気温度条件のボイラにおける火炉出口流体温度の低減を図り、火炉出口における熱応力の発生を抑え、火炉の損傷を防止することができる。以上の説明では、火炉中間混合部１０において、火炉の４つの内壁（前壁、後壁、右側壁、左側壁）を左右に分けて混合手段、連絡管、及び分配手段を用いて、火炉の伝熱管内流体を左右で入れ替えることを述べてきたが、左右に限らず、火炉の前後で伝熱管内流体を入れ替えても同様の効果が得られる。
【００２５】
本実施形態では、火炉の中間に注水するスプレ水を節炭器４の入口や出口ではなく、ボイラ給水ポンプ１の出口から分岐している。ポンプ１出口からの分岐の意味は、ボイラ給水が高圧給水加熱器２を通過することで給水の圧力が低下するため、火炉中間混合部１０との圧力差は、節炭器の入口又は出口よりも、ボイラ給水ポンプ１出口の方が大きくなることになり、スプレの注水を容易に実施することができるからである。
【００２６】
また、高圧給水加熱器２（図１を参照）では、タービンの抽気蒸気によって給水を加熱することから、節炭器４の入口温度よりボイラ給水ポンプ１の出口の方が給水温度は低く、スプレの注水量が節炭器入口又は出口よりも少ない量で火炉中間混合部１０における流体のエンタルピを低減し、火炉出口流体温度の低減効果が大きく、制御性に優れている。
【００２７】
以上のように、本発明の実施形態の特徴を繰り返して説明すると、火炉下部において加熱上昇した伝熱管内の流体は、火炉の中間に設置する２つの流体混合装置により、それぞれ５０％づつの均一なレベルのエンタルピとなり、この流体を２本の連絡管により火炉の左右または前後の反対側に接続し、火炉上部で加熱することにより、火炉内の燃焼に起因する左右または前後の火炉出口流体温度アンバランスは抑制することができる。
【００２８】
さらに、２本の連絡管においてスプレ装置により注水するに際して、２本の連絡管の注水量を火炉出口流体温度に応じて変えることにより、流体温度アンバランスを効果的に抑制できる。また、高蒸気温度条件のボイラにおいて、注水スプレのスプレ水制御をすることで、火炉出口流体温度の低減を図り、火炉出口における熱応力の発生を抑えることができる。
【００２９】
また、貫流ボイラでは、過熱器へのスプレ水は節炭器の入口または出口の給水より分岐するのに対して、火炉の中間における連絡管内へのスプレ水は、節炭器の入口又は出口の給水より温度の低く且つ連絡管内流体との圧力差を大きく取れる、ボイラ給水ポンプ出口又は複数の高圧給水加熱器の中間から分岐した給水を用いることにより、注水量の減少と流体温度の低減幅を広げることができる。この結果、流体温度アンバランスの抑制と火炉出口流体温度の低減とにより、熱応力の発生を抑え、火炉の損傷を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  ボイラ給水ポンプ
２  高圧給水加熱器
３  ボイラ給水管
４  節炭器
５  火炉（下部）
６  火炉（上部）
７  バーナ
８  過熱器
９  再熱器
１０  火炉中間混合部
１１  節炭器入口管寄せ
１２  節炭器出口管寄せ
１３  火炉入口降水管
１４  火炉入口分配管マニホルド
１５  火炉入口分配管
１６  火炉入口管寄せ
１７  火炉下部左側壁
１８  火炉下部前壁
１９  火炉下部右側壁
２０  火炉下部後壁
２１  火炉下部出口管寄せ
２２  火炉下部出口混合装置接続管
２３  火炉中間混合装置
２４  火炉中間連絡管
２５  火炉中間スプレ装置
２６  火炉上部入口分配管マニホルド
２７  火炉上部入口分配管
２８  火炉上部入口管寄せ
２９  火炉上部左側壁
３０  火炉上部前壁
３１  火炉上部右側壁
３２  火炉上部後壁
３３  火炉上部出口管寄せ
３４  管寄せ仕切壁
３５  火炉周壁中間管寄せ
【図１】
0005514709.tif 000002
【図２】
0005514709.tif 000003
【図３】
0005514709.tif 000004
【図４】
0005514709.tif 000005
【図５】
0005514709.tif 000006
【図６】
0005514709.tif 000007
【図７】
0005514709.tif 000008